摘要： 在許多工業應用中，都需要在高共模電壓情況下檢測小差分電壓，以實現對電流的監控。但在高共模電壓情況下，輸出電流的檢測電路比較復雜，而且精度難以保證。采用新型高側電流傳感器AD8205可以簡化其檢測電路，并能大大提高其檢測和控制的精度。
AD8205是美國模擬器件公司推出的一種單電源高性能差分放大器，典型單電源供電電壓為5V，其共模電壓輸入范圍為-2~65V，可以耐受-5~+70V的輸入共模電壓，適用于高共模電壓情況下檢測小差分電壓的工業設備中。它的增益固定為50V/V，工作溫度范圍為-40~+125℃，失調電壓溫漂小于15µV/℃，增益溫漂小于30ppm/℃(環境溫度可高達125℃)，在整個規定溫度范圍內具有優良的直流性能，其從直流到100kHz的頻帶范圍內具有高達80dB的共模抑制比。因此其測量環路誤差小，精度高，非常適合用于馬達控制、傳動控制、磁懸浮控制、車輛動力控制、燃料噴射控制、引擎管理和DC-DC變換等控制系統中。
圖1 高側電流傳感器AD8205內部電路原理圖
內部電路結構及其工作原理
AD8205的內部電路由A1和A2兩個集成運放和一個電阻網絡，以及一個小參考電壓源和偏置電路構成，其電路結構如圖1所示。
A1的前置衰減由電阻RA、RB、RC組成，可將共模電壓衰減到合適的輸入電壓范圍內。兩組衰減器構成橋式網絡，衰減率為1/16.7。輸入信號經過衰減以后，使得輸入信號的幅值保持在供電電源電壓范圍以內，當輸入電壓超過供電電源電壓或低于公共地端的電壓時，內部參考電壓起作用，使得放大器在輸入負共模電壓信號時仍然可以正常工作。當電橋平衡時，共模電壓信號產生的差分輸入信號為0V。當然，輸入網絡同時也衰減了輸入差分電壓信號，放大器A1將衰減后的信號放大26倍，其輸入和輸出都采用差分形式以獲得最大的交流共模抑制比。另外電阻RA、RB、RC、RD和RF通過激光校準后的電阻匹配率優于0.01%，這種高精度校準使得器件能夠獲得超過80dB的共模抑制比。
放大器A2將A1輸出的差分信號轉換成單端信號，并放大32.15倍。參考輸入端VREF1和VREF2都經過電阻RREF連接到A2的同相輸入端，使得輸出可以任意調整到所需要的輸出電壓范圍內。當兩個參考輸入端并聯使用時，參考電壓從輸入到輸出的增益為1V/V；當單獨使用任何一個參考輸入端時，其增益為0.5V/V。AD8205的總增益由衰減電路的衰減率1/16.7、A1的放大倍數26和A2的放大倍數32.15構成。AD8205具有300μA的吸收下拉電流能力，采用A類PNP管接上拉電阻輸出。
輸出方式設置
單極性輸出
此方式一般用來測量流過采樣電阻上的單方向變化的電流。有兩種基本模式：以地為參考和以V+為參考的輸出模式。在單極性工作模式下，當差分輸入為0時，輸出可以偏置到負向(接近地)或正向峰值(V+)。當差分電壓加到輸入端時，輸出將反向移動到峰值。這時滿幅輸出所對應的輸入差分電壓幅值接近100mV，它的極性由輸出電壓的靜態設置所決定。當偏置到正向峰值時，輸入差分電壓應該為負，輸出由正向峰值下降；反之，若靜態偏置到地，則輸入差分電壓應該為正，輸出由0上升。
圖2 單極性輸出連接方式
(a)外部參考電壓輸出 (b)分離參考電壓輸出
圖3 雙極性輸出連接方式
(a)高側電流傳感器和低側開關方式 (b)高側電流傳感器和高側開關方式
圖4 電路配置方式
以地為參考的輸出連接方式如圖2(a)所示。它的兩個參考輸入端都接到地上，當輸入的差分電壓為0時，其輸出被偏置到反相峰值(約0.05V)。
以V+為參考的輸出連接方式如圖2(b)所示。它的兩個參考輸入端都連接到正電源上，當輸入的差分電壓為0時，其輸出被偏置到正相峰值(約4.8V)。
雙極性輸出
雙極性輸出時AD8205可以測量流過采樣電阻上的雙向電流，這時，輸出可以偏置到輸出范圍內的任意位置。當被檢測的正反兩個方向上的電流為等幅時，其輸出必須偏置到滿量程輸出的中間位置。當雙向電流幅值不對稱時，輸出偏置可以對應地偏離半量程位置。它的兩個參考輸入VREF1和VREF2分別連接一個內部電阻RREF后接到同一個內部偏置節點，這兩個參考輸入端的操作方式完全相同。在兩個參考電壓輸入端接入對應的電壓，即可完成對輸出的偏置。在雙極性輸出方式下，一般有以下兩種連接方式。
1)當輸入雙向電流幅值相同時，將兩個參考電壓輸入端都連接到一個外部參考電壓源的輸出端，如圖3(a)所示連接。當輸入電壓相對于-IN為負，輸出電壓將從參考電壓下降。反之，當輸入電壓相對于-IN為正，輸出電壓將從參考電壓上升。
2)將兩個參考電壓輸入端的其中一個接到電源電壓V+端，另一個參考電壓輸入端接地，如圖3(b)所示連接。當輸入差分電壓為0時，輸出電壓被偏置到AD8205的供電電源電壓的中間位置。這種接法的好處在于測量雙向電流時不需要外接參考源，輸出將按比率地自動跟隨供電電源電壓的變化而產生半幅偏置。也就是說，不管電源電壓是升還是降，輸出偏置點將一直保持在電源電壓的中間位置。例如，電源電壓為5V時，輸出偏置到2.5V；而當電源電壓上升10%時，輸出將偏置到2.75V。
典型應用
高側電流傳感器和低側開關方式
如圖4(a)所示連接，PWM控制開關的源極接參考地，感性負載和采樣電阻串聯連接在電源和PWM控制開關之間。當PWM開關閉合時，采樣電阻上的共模電壓下降到接近負向峰值；當PWM開關打開時，采樣電阻上產生的共模電壓為電源電壓和續流二極管的正向壓降的電壓和。采用這種方式的優點是當PWM開關關閉時，由于采樣電阻置于電源高側，采樣電阻仍然在電流回路當中，使得負載上的全部電流，包括續流電流，仍然可以監測，并且容易識別對地短路故障以實現電路的短路保護。
高側電流傳感器和高側開關方式
如圖4(b)所示連接，PWM開關和采樣電阻都位于電壓高側。當PWM開關打開時，負載電源將被移除，但仍然可以提供和監測續流電流，以實現電流控制診斷。在工作過程中，大部分時間電源都和負載隔離，這樣可將負載對地之間的差分電壓所引起的不良影響減到最小。當PWM開關閉合時，電源電壓將連接到負載，這時共模電壓將增加到電源電壓。而PWM開關打開時，電壓將反轉并經過感性負載，由于續流二極管的作用，使得采樣電阻上的共模電壓保持為一個低于地的二極管的導通壓降。
馬達控制
如圖5所示連接，AD8205在H橋馬達控制電路中作為控制回路的一部分，馬達和采樣電阻串連后放置在H橋的中間，通過檢測采樣電阻上的電壓，可以準確地測量馬達當前的電流及其方向。此時，AD8205的輸出被設定成外部參考雙向的方式，這樣它可以測量H橋開關的雙向電流并同時監測馬達的運轉方向。由于地不是一個特別穩定的參考電平，以地為參考將會導致測量的不準確性。因此，這種測試方案要比以地作為參考電平的測試方法好的多。
結語
總之，采用AD8205實現在高共模電壓情況下檢測小差分電壓的電路結構簡單可靠，監測精度高。它特別適用于42V汽車系統的動力監控、液壓控制、磁懸浮控制等控制系統中。
